Реферат: Теория структурообразования и оптимизация структуры ИСК

1. Основные процессы в технологии строительных материалов

Технология – наука о процессах и способах переработки используемых сырьевых продуктов. Химическая технология – наука о методах и процессах химической переработки сырья в строительные материалы и изделия. Основными элементами технологий являются сырье, энергия и аппаратура. Эти элементы тесно взаимосвязаны и обусловлены экономикой, состоянием и уровнем научно-технического потенциала.

Сырьем служат исходные вещества или смеси различных веществ, состоящие из двух или большею количества компонентов, которые поступают в переработку для получения определенной разновидности строительного материала. Чаще для этих целей используют природное сырье. Оно добывается из недр земли или из ее поверхностных слоев, являясь в основном неорганическим материалом. В меньших размерах для этих целей применяют органические природные вещества, а также побочные продукты промышленности, сельского и лесного хозяйств и др.

Неорганическое сырье подразделяют на неметаллическое и металлическое. При производстве строительных материалов преимущественно применяют неметаллическое, при изготовлении металлических строительных изделий и конструкций – металлическое сырье. Из неметаллического природного сырья чаще используют горные породы и породообразующие минералы, особенно оксиды, силикаты, карбонаты и другие сравнительно однородные по составу и свойствам природные вещества.

Из органических природных видов сырья следует отметить каменные и бурые угли, нефть, растительные вещества, торф и вещества, как правило, неоднородные по своему составу и содержанию различных соединений углерода вещества. В качестве сырья используют и побочные продукты от других производств: шлаки металлургического процесса, золу от сжигания каменного угля и кокса и др. Особенно много побочных продуктов возникает при производстве минеральных строительных материалов.

Сырьевые природные продукты и техногенное сырье используют в производстве строительных материалов и изделий после их предварительной обработки, составляющей важнейший этап подготовительных работ в технологиях.

При изготовлении строительных материалов и изделий сырье подвергают комплексу механических, химических, физико-химических, тепловых и других воздействий. В результате реализации и определенной последовательности этих технологических воздействий сырье либо изменяет только форму и размеры частиц вещества, получает большую однородность и очищается от загрязнений, либо претерпевает существенные изменения состава, внутреннего строения и качественных характеристик.

Каждая разновидность строительных материалов и изделий нуждается в специфической технологии. Последняя выражается своим регламентом, параметрами режимов, минимальным размером затрачиваемой энергии и сырьевых ресурсов, достижением экономически эффективных результатов и высоких показателей качества готовой продукции. Необходимо соблюдение непрерывности технологического процесса, хотя иногда может оказаться более целесообразной и периодичность, особенно в химической технологии.

При большом разнообразии специфических технологий материалов и изделий они содержат и ряд типичных операций. Это связано с тем, что в их основе лежат одинаковые физические или физико-химические зависимости, сходные кинематические схемы действия оборудования и машинного парка, общие методы использования тепловой или иного вида энергии и т.п.

К типичным переделам, предопределяющим процессы структурообразования у материалов и изделий, относятся:

основные – подготовительные работы, перемешивание отдозированных сырьевых компонентов, формование получаемой смеси и уплотнение отформованных изделий, специальная обработка уплотненных изделий до полного их отвердения, технический контроль качества готовой продукции;

вспомогательные – контроль за кондицией технологического регламента, транспортирование сырья и перемешанной смеси, перемещение готовых изделий, складирование сырья и изготовленной продукции, хранение материалов на складах.

Следует отметить, что на структурообразование влияют не только основные, но и вспомогательные переделы. При транспортировании, складировании, хранении или других вспомогательных операциях возможно значительное снижение качества ранее подготовленных материалов. Возможно, однако, и повышение качества, если материалом не только сохраняются приданные ему дополнительные потенции, но они возрастают при реализации некоторых операций, например на стадии транспортирования, хранения.

К подготовительным работам относится комплекс операций, сопутствующих практически всем технологиям. Их основное назначение – придать сырью технологическое состояние, удобное и эффективное для его прохождения по последовательному циклу переделов с образованием готовой продукции. На этой стадии технологии важно полнее раскрыть и по возможности преувеличить потенциальную энергию сырья, чтобы на последующих этапах свободная внутренняя и поверхностная энергии перешли в другие ее формы, способствуя процессам новообразований и возникновению фаз, отличных от исходных сырьевых, а также структуры внутреннего строения готового материала.

В зависимости от разновидности сырья подготовительные операции заключаются: в измельчении, помоле, распушении и других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние; фракционировании, просеве, промывке и других методах очищения поверхности частиц и разделения их на отдельные группы по гранулометрическому. составу; увлажнении или обезвоживании сырья; нагревании, обжиге и охлаждении сырья перед употреблением в смесях; обогащении, т.е. повышении однородности сырья по массе, прочности и другим качественным показателям, что нередко совмещается с физико-химической обработкой в целях дополнительного повышения активности поверхности частиц или изменения ее полярности, поверхностного натяжения и т.п.

Измельчение и помол – наиболее распространенные подготовительные операции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью: обеспечения определенного соответствия между размерами частиц смеси и конструктивными элементами изделий, облегчения технологических операций на стадиях приготовления смеси, повышения плотности и однородности дробленого материала, увеличения удельной поверхности порошкообразного вещества после помола исходного материала. Известно, что между размером зерен у и удельной поверхностью х существует обратная пропорциональная зависимость:

х = а/у ⁿ ,

где а – величина поверхности частицы, размер которой равен 1.

Эту зависимость можно изобразить в виде гиперболической кривой. С уменьшением размера каждой частицы общая поверхность измельченного вещества увеличивается, тогда как объем частицы при сложении обломков остается постоянным. Быстро увеличивающаяся с измельчением поверхность обладает особым запасом поверхностной энергии, которая в дальнейшем расходуется при смешении нескольких компонентов в общую смесь для формирования изделий из смеси с протеканием реакций по поверхностям раздела.

Операцию измельчения или помола нередко совмещают с разделением получаемого продукта по крупности частиц просеиванием или сепарацией. Эта операция называется разделением сырья по фракциям.

Другой операцией является промывка зернистых фракционных материалов: песка, дробленого камня, гравия – в целях уменьшения количества пыли и глины в смеси. Материалы промывают чистой водой или с добавлением химических веществ. Но имеются и сухие способы очищения зернистых сырьевых материалов, что предохраняет их от смерзания в зимний период работ, например колориметрические, рентгеносепарационные и др.

Нередко исходные сырьевые материалы подвергают так называемому обогащению, т.е. повышению однородности по прочности и плотности и т.п. В основе обогащения лежат физические законы. В зависимости от принятого способа они могут быть законами гравитации, сепарации, флотации, упругости и др. Эффективность способа оценивают по степени обогащения, количеству обогащенного продукта и его качеству.

Весьма важная роль в подготовительный период отводится тепловому воздействию на сырьевой материал, чтобы его просушить, нагреть до необходимой температуры и даже подвергнуть кратковременному обжигу в целях, например, частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для понижения пластичности.

Процесс сушки назначают с учетом особенностей исходного сырья как многокомпонентной системы, состоящей из вещества, слагающего сырьевой материал, влаги, воздуха и паров воды. Если сырьевой материал подвергнуть воздействию теплового агента или специальных источников нагрева, то с поверхности материала влага испаряется, а внутри перемещается к поверхности испарения за счет капиллярных сил, градиентов влажности и температуры.

Общее влагосодержание W после прогрева сырьевого материала уменьшается пропорционально продолжительности сушки т, т.е. по линейному закону. Температура поверхности материала в этом интервале остается постоянной и равна температуре адиабатического насыщения воздуха. Температура в центральных слоях материала продолжает повышаться и достигает температуры адиабатического насыщения позже, в точке д. На отрезках я – б и в-г уменьшение влагосодержания идет не по прямому закону.

Зависимость скорости сушки от ее продолжительности показана на рис. 2.3. После высушивания материал нагревают до необходимой температуры. Нередко сушку и нагрев совмещают в одном тепловом агрегате, например в сушильном барабане или на колосниковой решетке.

Нагревание материала, выпаривание влаги или растворителя, оказавшихся в нем, а также последующее охлаждение и другие тепловые процессы протекают в соответствии с законами теплоотдачи.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--